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Automatisiertes und vernetztes Fahren

Flächendeckendes Automotive-Ethernet-Netzwerk das richtige Ziel?

Automobilhersteller und -Zulieferer müssen in puncto digitale Transformation umdenken und sich anpassen, wenn sie zukunftsfähig bleiben wollen. Dabei sollten sie sich auch Gedanken über die optimale IVN-Technologie machen.
Automobilhersteller und -Zulieferer müssen in puncto digitale Transformation umdenken und sich anpassen, wenn sie zukunftsfähig bleiben wollen. Dabei sollten sie sich auch Gedanken über die optimale IVN-Technologie machen.
© Mr.Thanakorn Kotpootorn | Shutterstock)

Autobauer müssen derzeit extreme Herausforderungen meistern. Zum Einen müssen sie in einem Markt mit immer schärferem Wettbewerb und Kostendruck erfolgreich sein. Zum anderen müssen sie schnell Trends und Technologien aus den Bereichen CE und ITK aufgreifen, die die Digitalisierung ins Auto drängt.

Heute kaufen Fahrzeugkunden Funktionalität. Ein Auto kann auch ein Statussymbol und mehr sein, aber es ermöglicht vor allem die individuelle Mobilität von A nach B. Die Käufer interessieren sich nur sehr selten für das bordeigene Netzwerk (In-Vehicle Network, IVN) ihrer Autos. Nichtsdestotrotz ist das IVN eine wesentliche Infrastruktur, ohne die es heute unmöglich wäre, den Fahrzeugkunden überhaupt Funktionen zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus wirkt sich der Aufbau des IVN darauf aus, wie Kundenfunktionen entwickelt werden und in der Folge dem Nutzer angeboten werden können.

Relevante Anbieter

Einheitliche Lösung notwendig

Was man heute überwiegend sieht, sind IVNs, die historisch gewachsen sind. Diese bestehen aus vielen verschiedenen Kommunikationstechnologien und Gateways, die sie miteinander verbinden. Die meisten IVNs sind wie Städte, in denen verschiedene Verkehrssysteme – Straßennetz, Straßenbahnen, U-Bahnen, S-Bahnen, Radwege oder Wasserwege – unabhängig voneinander auf- und ausgebaut wurden und in denen nachträglich erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um Umsteigestellen und ein einheitliches Abrechnungssystem zu etablieren.

Das mag bis zu einem gewissen Grad funktionieren – und einige Einwohner sind vielleicht froh, dass das vertraute System weiterhin verwendet wird – aber es verbraucht erhebliche Ressourcen und Zeit. Darüber hinaus sind Behelfslösungen erforderlich, um die grundlegenden Kommunikationsbedürfnisse der Smart City zu erfüllen, zum Beispiel Software-Fern-Updates an allen Haltestellen, geschweige denn, um die Anforderungen der digitalisierten Welt vollständig abzudecken. Wo liegen die Hindernisse, das Verkehrskonzept komplett zu überarbeiten – was für das IVN eines neuen Automodells viel einfacher möglich ist als mit einer echten Stadt – und dabei flächendeckend Automotive Ethernet zu verwenden? Ist Ethernet doch nicht die richtige Technologie für die Bedürfnisse der Automobilindustrie?

Zunächst einmal ist festzuhalten, dass bereits sehr viel im Umfeld von Automotive Ethernet erreicht wurde. Eine große Anzahl von Unternehmen aus der gesamten Industrie arbeitet seit 2011 an der Industrialisierung von Automotive Ethernet in einer Reihe von Organisationen wie der OPEN Alliance, der Avnu Alliance, dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), der International Electrotechnical Commission (IEC) und der International Organization for Standardization (ISO). Die erste speziell für Automotive entwickelte Ethernet-Technologie, die die Übertragung von 100 Mbit/s über ungeschirmte Kabel im Fahrzeug erlaubt – inzwischen 100BASE-T1 genannt und 2015 als IEEE 802.3bw veröffentlicht – wurde bereits 2013 in Serienfahrzeugen eingeführt. Bis Ende 2020 werden alle großen Automobilhersteller 100BASE-T1 serienmäßig in ihren Fahrzeugen einsetzen. Die 1 Gbit/s-Technologien 1000BASE-T1/IEEE 802.3bp und 1000BASE-RH/IEEE 802.3bv der nächsten Generation sind seit 2019 im Serieneinsatz erster Automobilhersteller.

Diese raschen Fortschritte führen jedoch mittlerweile auch zu Anzeichen von Ermüdung, und gelegentlich sieht man sogar Rückschritte. Neue Ethernet-Physical-Layer-Technologien kommen schneller auf den Markt, als die Entwickler sie verstehen, industrialisieren und für den Einsatz in Millionen von Personenfahrzeugen qualifizieren können. Neu verabschiedete Standards unterstützen Datenraten von 10 Mbit/s und 2,5/5/10 Gbit/s (IEEE 802.3cg und IEEE 802.3ch). Und im Vorgriff auf vollständig autonome Fahrzeuge laufen innerhalb des IEEE bereits jetzt Projekte zur Standardisierung von Datenraten von über 10 Gbit/s bis hin zu 100 Gbit/s (IEEE P802.3cy und IEEE P802.3cz).

Standardisierung und Einführung von Automotive-Ethernet-Übertragungstechnologien Erste Hürde: Konkurrierende Kommunikationstechnologien
Standardisierung und Einführung von Automotive-Ethernet-Übertragungstechnologien
© BMW

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Automotive-Ethernet-Physical-Layer-Technologien und deren Einsatz. Es zeigt sich, dass zwischen der Vollendung eines Standards und der (nahezu) vollständigen Übernahme in der Branche eine erhebliche Zeitspanne liegt. Es besteht die Gefahr, dass die Automobilindustrie von den gleichzeitig auftretenden Ereignissen überfordert und behindert wird und dass dabei die notwendigen Veränderungen mit und die wahren Chancen der flächendeckenden Nutzung von Automotive Ethernet verpasst werden.

Erste Hürde: Konkurrierende Kommunikationstechnologien

Mit 100-Mbit/s-Ethernet wurde eine Marktlücke bedient. Es gab keine wirkliche andere IVN-Technologie, die dem Geschwindigkeitsbereich und den erwarteten Anwendungsfällen entsprach. Auch 1.000-Mbit/s-Ethernet schließt noch teilweise eine Geschwindigkeitslücke. Diejenigen IVN-Anwendungen, für die entweder weniger als 100 Mbit/s oder mehr als 1.000 Mbit/s erforderlich sind, werden jedoch bereits durch andere, bisweilen gut etablierte Technologien in der Automobilindustrie abgedeckt. Diese Geschwindigkeitsklassen von Automotive Ethernet finden sowohl im unteren Geschwindigkeitsbereich, zum Beispiel FlexRay, verschiedene CAN-Varianten und A2B Audiobus, als auch im oberen Geschwindigkeitsbereich, beispielsweise SerDes Serializer-Deserializer oder USB (Bild 1) nennenswerte Konkurrenz.

Ist es besser, das gesamte IVN unter einer Technologie zusammenzufassen? Oder ist die Vielfalt der Technologien ein Vorteil? Angesichts dessen, wie fragmentiert der Stand der Einführung von Automotive Ethernet bei den Automobilherstellern ist, trifft diese Frage einen Kern der Debatte. Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen generalisierten Technologien, wie Ethernet, die für ein breites Spektrum an Anwendungen eingesetzt werden können, und spezialisierten Technologien, die auf eine kleine Anzahl von Anwendungsfällen zugeschnitten und kostenoptimiert sind. Rechtfertigen die Vorteile innerhalb dieser spezifischen Anwendungsfälle den Aufwand, zwischen den Technologien übersetzen und sie über Jahrzehnte – selbst nach Produktionsende – pflegen und warten zu müssen?

Unterschiedliche Kommunikationstechnologien im Vergleich von Datenraten und Kosten
Unterschiedliche Kommunikationstechnologien im Vergleich von Datenraten und Kosten
© BMW

Es gibt verschiedene Bedenken in Bezug auf maßgeschneiderte Technologien. Zum einen ist es wahrscheinlich, dass eine erfolgreich in einer Nische eingeführte Technologie mit der Zeit um neue Funktionen zur Erschließung zusätzlicher Anwendungsgebiete erweitert wird, was zu Überschneidungen und Over-Engineering führen kann. Technologien, die für einen Anwendungsfall entwickelt wurden, können schnell monolithisch und komplex werden, wenn sie auf andere Anwendungen ausgedehnt werden, wodurch ihre früheren Kostenvorteile zunichte gemacht werden.

Zweitens sind die Märkte für spezifische Anwendungsfälle oft klein und dort eingesetzte Kommunikationstechnologien häufig proprietär. Daraus ergeben sich besondere Herausforderungen für die automobile Vernetzung. Die Kosten stellen dabei nicht unbedingt eine der größten Herausforderungen dar. Die Qualifizierung der Technologien ist im Allgemeinen problematischer. Ein Auto besteht aus Tausenden von verschiedenen Teilen, und jedes von ihnen muss im Interesse der Sicherheit und Zuverlässigkeit auf einem sehr hohen Niveau getestet sein. Das erfordert auch Fachkräfte und Spezialwerkzeuge für jede einzelne der eingesetzten Technologien. Je standardisierter eine Technologie aber ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass dieses entscheidende Ökosystem aus Testhäusern, Anbietern, intelligenten Tools, Schulungen usw. Fuß fassen und wachsen kann. Standardisierte Technologien führen zudem tendenziell zu einem wesentlich diversifizierteren und verfeinerten Produktportfolio – der Kunde kann das optimale Produkt für seine speziellen Anforderungen erhalten und sein Angebot entsprechend differenzieren.

Und sind spezialisierte Technologien aus Sicht der Anwendung wirklich so viel besser geeignet als Automotive Ethernet? Das führt zur zweiten Hürde.

Zweite Hürde: Wirkliche Nutzung der für die Ethernet-basierte Kommunikation verfügbaren Protokolle

Ethernet ist nicht nur eine neue physikalische Schicht (Physical-Layer, PHY) mit einer Vielzahl von Geschwindigkeitsstufen. Bild 2 zeigt als Beispiel einen Protokoll-Stack, der einige der vorhandenen Protokolle auflistet, die für verschiedene Anwendungen mit Ethernet (wieder) verwendet werden können. Es zeigt sich, dass die verschiedenen PHY-Technologien nur einen kleinen Teil des Gesamtsystems ausmachen. Das ist ein enormer Vorteil von Automotive Ethernet, der sich am deutlichsten in Protokollen zur Datensicherheit zeigt. Sowohl der Bedarf nach Datensicherheit, also auch die standardisierte Nutzung höherer Protokollschichten ist dabei neu in der Automobilindustrie, in der die meisten Kommunikationstechnologien nur die Schichten 1 und 2 abdecken und von Haus aus keine Datensicherheit unterstützen.

Bild 2. Beispielprotokolle, die bei Ethernet-basierter Kommunikation verwendet werden.
Bild 2. Beispielprotokolle, die bei Ethernet-basierter Kommunikation verwendet werden.
© BMW

Darüber hinaus erlauben die meisten Kommunikationssysteme nur die eine Art von Quality of Service (QoS), für die es definiert wurde. Bei Ethernet ist das anders. Hier steht dank der IEEE Time-Sensitive Networking-Spezifikationen (TSN) eine große Anzahl von QoS-Optionen zur Verfügung. Mit diesen Optionen können Datenströme mit unterschiedlichen QoS-Anforderungen und sogar aus unterschiedlichen (virtuellen) Netzwerken dieselbe Verkabelung gemeinsam nutzen. Weil das jedoch neu und ungewöhnlich ist, erscheint es „komplex“. Und ja, es erfordert einen Lernprozess und Erfahrung. Sowohl das Automotive AVB-Profil der Avnu als auch die laufenden IEEE P802.1DG Automotive TSN-Profile wurden entwickelt, um diesen Prozess zu unterstützen. Die Möglichkeiten, die sich durch das Verständnis und den effizienten Einsatz dieser Protokolle – zusätzlich zum bloßen Wechsel des Physical Layer – bieten, wiegen den initialen Aufwand aber langfristig mehr als auf.

Dritte Hürde: Wirkliche Nutzung der Kommunikationsprinzipien von Ethernet

Ethernet bringt der Automobilwelt völlig neue Kommunikationsarten. CAN und FlexRay fungieren zum Beispiel als Pinnwände. D.h., eine Information wird immer mit Jedem geteilt (Broadcast), ohne inhärentes Interesse oder Sichtbarkeit dafür, welche Systeme an einem bestimmten Hinweis interessiert sein könnten. Das funktioniert gut, solange nur ein kleiner Kreis von wenigen Teilnehmern an der Kommunikation beteiligt ist. Sobald die Kommunikation diesen kleinen Kreis ausdehnt, müssen die Informationen, welche Daten wo genau benötigt werden, außerhalb der Technologie – mehr oder weniger manuell – nachverfolgt und in den jeweiligen Gateways zur Verfügung gestellt werden. Wenn zum Beispiel Software-Virtualisierung oder Dienste fahrzeugübergreifend ermöglicht werden sollen, hat man plötzlich ein Problem mit einem solchen Ansatz. Ethernet bietet eine weltweit eindeutige Adressierung von Paketen (sowie zum Unicast auch Multicast oder Broadcast), und die Switches, die die Ethernet-Links verbinden, sind selbstlernend. Die Ethernet-basierte Kommunikation sorgt bis hin zum Backend des Automobilherstellers für Barrierefreiheit, weil die Technologie auch außerhalb des Fahrzeugs im Grunde dieselbe bleibt. Die Industrie hat die Vorteile dieses Paketierungskonzept noch nicht voll ausgeschöpft und kann das auch nicht tun, solange reine Broadcast-Kommunikationssysteme Teil des Fahrzeugnetzwerks sind.

Service-basierte Kommunikation im Gegensatz zu Signal-basierter Kommunikation ist eine weitere konzeptionelle Veränderung, die auf die Branche zukommt. Im Falle der Signalorientierung ist eine Kundenfunktion direkt mit den von ihr verwendeten Sensordaten verbunden und muss sich um jeden Aspekt kümmern, zum Beispiel welche Sensoren mit welcher Auflösung verfügbar sind, wie die Sensordaten übertragen werden, ob die Daten aktuell sind, usw.

Bild 3. Möglicher Nutzen, der aus der Nutzung verschiedener Ethernet-Eigenschaften gezogen werden kann.
Bild 3. Möglicher Nutzen, der aus der Nutzung verschiedener Ethernet-Eigenschaften gezogen werden kann.
© Continental

Es ist so, als ginge man zur Bäckerei, um eine Brezel zu kaufen und müsste sich vergewissern, dass der Bauer Saatgut hat, sein Feld richtig bestellt, die Körner an die Mühle liefert, das Mehl zur Bäckerei kommt und der Bäcker über Öfen und Energie verfügt und seine Arbeit auch richtig macht. Die Service-Orientierung hingegen ermöglicht eine Trennung der Verantwortlichkeiten. Man kümmert sich nicht mehr darum, woher der Bäcker sein Mehl bekommt. Der Bäcker kauft Mehl einer bestimmten Qualität von demjenigen, der es zu diesem Zeitpunkt zum besten Preis anbietet und man selbst kauft bei dem Bäcker, der gerade die passende Brezel hat. Jeder kümmert sich nur darum, dass es sich beim gekauften Produkt um das richtige handelt. Auf die Automobilindustrie übertragen heißt das: Eine Funktion muss zum Beispiel nur wissen, welche Objekte sich mit einer gegebenen Genauigkeit und Aktualität zwischen dem Auto und 50 Meter davor befinden. Sie muss aber nicht wissen, welche Sensoren tatsächlich zur Generierung dieser Informationen zum Einsatz kamen.

Technologien auf der Basis von Ethernet wie Scalable Service-Oriented Middleware over Internet Protocol (SOME/IP) unterstützen eine derartige dienstbasierte Architektur mit dienstbasierter Kommunikation. D.h., es gibt eine definierte Methode, wie Dienste in einem verteilten Netzwerk erfasst und genutzt werden können. Bild 3 veranschaulicht, dass die größten langfristigen Vorteile von Ethernet nicht in den verschiedenen Optionen für die Technologien der physikalischen Schicht alleine liegen sondern die hier diskutierten Konzepte mit eingebunden werden müssen.

Vierte Hürde: Zentralisierung verändert den Kommunikationsbedarf

Eine weitere Variable in der Diskussion über IVN-Entscheidungen ist die Zentralisierung der E/E-Architektur. Automobilhersteller bewegen sich auf ein zonales Konzept zu, bei dem (vielleicht redundante) zentrale Recheneinheiten im Auto an Peripheriegeräte angeschlossen werden.

Bild 4. Änderung der E/E-Architekturen
Bild 4. Änderung der E/E-Architekturen
© Continental

Auf diese Weise würden einige wenige elektronische Hochleistungs-Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs), die oft auch als Hochleistungsrechner (High-Performance Computers, HPCs) bezeichnet werden, über Technologien mit niedriger Latenz und hoher Bandbreite miteinander verbunden (Bild 4), während Sensorik und Aktuatorik über Steuergeräte speziell zur Aggregation in physikalischen Zonen zusammengefasst werden. Das würde bedeuten, dass in Zukunft vielleicht weniger Kabel für die Vernetzung im Fahrzeug notwendig sind. Es ist wichtig, dass die Branche die neuen Trends in der zugrundeliegenden E/E-Architektur vollständig versteht und berücksichtigt.

Fokussiert nach vorne blicken

Die Lücken im Fortschritt hin zum flächendeckenden Automotive Ethernet sind offensichtlich und vielfältig:

●             Einige OEMs verlangen bereits nach Multi-Gigabit-Ethernet, während einige Automobilhersteller nur an der Oberfläche des wahren Potenzials der bereits vorhandenen Möglichkeiten gekratzt haben. Einige reizen beispielsweise nicht die potenzielle Nutzlasteffizienz die ihnen zur Verfügung stehen würde aus, indem sie einfach einen CAN-Frame mit 8 Byte Nutzlast transportieren, wenn ein einzelner Ethernet-Frame aber bereits mindestens 64 Byte und bis zu 1.500 Byte Nutzlast bietet.

●             Alle verschiedenen Technologien der physikalischen Schicht, die ein Automobilhersteller einsetzt, müssen unterstützt und gewartet werden. Dadurch werden Ressourcen gebunden, die andernfalls zur allumfassenden Einführung von Ethernet mitsamt der höheren Protokollebenen und neuen Paradigmen wie Service-Orientierung genutzt werden könnten. Erst auf diese Weise wird ein tatsächlicher Wandel in der zukünftigen Entwicklung von Fahrzeugen herbeigeführt. Wenn die Branche es versäumt, die entsprechenden Anstrengungen zur Nutzung dieser Vorteile zu unternehmen, könnte die Zeit von Ethernet vorbei sein, bevor sie richtig begonnen hat.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass sich die Entscheidungsträger in der gesamten Automobilindustrie weltweit nicht durch das Neue und das Darauffolgende ablenken lassen. Es ist wichtig, die Möglichkeiten der vorliegenden Technologien auch auszuschöpfen. Man muss lernen und verankern, wie sich die Ethernet-basierte Kommunikation am effizientesten nutzen lässt – nicht nur auf der PHY-Ebene, sondern beispielsweise auch im Hinblick auf effiziente Datenpaketierung, Architekturänderungen, Protokolle oder auf eine Service-Orientierung im Vergleich zu einer Signal-Orientierung. Ethernet muss auf allen Ebenen des Software- und Protokoll-Stacks besser erforscht, verstanden und genutzt werden, um das Potenzial und die Vorteile, die es für die Automobilindustrie birgt, zu realisieren.

In der Automobilbranche machen die letzten 20 Prozent der Aufgabe, eine für alle Umstände wirklich zuverlässige und bewährte Technologie in Millionen von Fahrzeugen auf der ganzen Welt zu bekommen, in der Regel 80 Prozent des Aufwands aus. In Bezug auf Automotive Ethernet gilt es nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern auch ein Umdenken zu erreichen. Denn eine flächendeckende Ethernet-basierte Kommunikation erlaubt es, Funktionen im Fahrzeug anders zu entwickeln und so die aktuellen Anforderungen an Automobilhersteller optimal zu unterstützen.

Die Autoren

studierte Elektrotechnik sowie Betriebs­wirtschaft und promovierte in Telekommunikation.
Dr. Kirsten Matheus studierte Elektrotechnik sowie Betriebs­wirtschaft und promovierte in Telekommunikation. Nach fünf Jahren Forschung im Bereich Mobilfunk wechselte sie 2003 in die Automobilindustrie. Seit 2009 ist es ihre Aufgabe, Ethernet als Netzwerktechnologie im Fahrzeug in der Industrie zu etablieren. Heute ist sie bei BMW für die IVN-Strategie im Allgemeinen verantwortlich.
© BMW
Daniel Hopf beschäftigt sich bei Con­tinental mit Anforderungen an zukünftige Kommunikationsnetze.
Daniel Hopf beschäftigt sich bei Con­tinental mit Anforderungen an zukünftige Kommunikationsnetze und untersucht diese speziell auf deren Eig­­nung für echtzeit- und sicherheitskritische Anwendungen. Er studierte Informatik an der Ostbayerischen Technischen Hochschule in Regensburg und erlangte dort seinen Bachelor- und Masterabschluss. Im Rahmen seiner Standardisierungsarbeit engagiert sich Daniel Hopf beim IEEE, der Open Alliance und der NAV Alliance.
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